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1 Etude et réalisation du conditionneur d’un Electrocardiographe Bouzid Ahmed e

1 Etude et réalisation du conditionneur d’un Electrocardiographe Bouzid Ahmed et Haddouche Sofiane Département d’Instrumentation et Automatique, Option Master Ingénierie de l’Instrumentation Electronique, Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene, Algérie (Décembre 20, 2012) Résumé Le génie biomédical est un domaine d’un intérêt majeur à la santé de l’être humain. Au jour d’aujourd’hui, les instruments d’aide au diagnostic sont devenus très répondus vu leur facilité de manipulation au point où leur utilisation est devenue domestique. Ces appareils se basent sur la mesure des propriétés électriques des cellules du corps humaine. On s’intéressera, dans ce qui suit, à l’ECG (électrocardiographe). Plus exactement, dans le cadre de ce manuscrit, le conditionneur nécessaire pour un ECG. Dans un premier temps on définira quelques généralités liées à l’ECG Dans un second volet on présentera les différents étages de notre réalisation. En dernier nous exposerons les résultats obtenus et les perspectives. Mots clés Electrocardiographe, ECG, conditionneur, instrumentation, amplification, filtrage. I. L’électrocardiographe L’électrocardiographie consiste à recueillir au niveau de la peau le champ électrique crée par ces courants d’activités de la fibre musculaire cardiaque, à l’amplifier puis l’enregistrer. L’électrocardiogramme s’est révélé comme étant une technique primordiale pour la surveillance ou dans le diagnostic. L’abréviation usuelle utilisée pour parler de l’électrocardiogramme est l’ECG. Le cœur produit en permanence des impulsions électriques, nécessaires à sa contraction. Quand l'onde électrique traverse le cœur, une infime partie de ce courant se propage à la surface du corps. En plaçant des électrodes de part et d'autre du cœur, on peut mesurer une activité électrique, l'enregistrer et étudier le fonctionnement du muscle cardiaque grâce à un appareil appelé « électrocardiographe ». L’électrocardiographe est fondamental en cardiologie car il permet de déterminer si le trajet de conduction est normal, si le cœur est hypertrophié ou si certaines régions sont endommagées. II.1 Analyse temporelle de l’ECG Chaque cycle de dépolarisation/repolarisation du cœur correspond au passage du courant électrique, chez le sujet sain, des 2 oreillettes vers les ventricules qui se contractent dans ce même ordre. Sur le plan électrocardiographique, cela se traduit par l’enregistrement toujours dans le même ordre de différentes ondes : P, Q, R, S, et T Figure 1 tracé de l’électrocardiogramme avec ses différentes ondes et leurs correspondances au niveau du myocarde II.2 Analyse fréquentielle de l’ECG Il a été démontré que les composantes fréquentielles d’un ECG normal ont les caractéristiques suivantes : • le spectre de l’ECG s’étend entre une fréquence nulle et environ 100 Hz, • l’onde P se caractérise par une bande spectrale de basse fréquence et de faible amplitude : ses composantes fréquentielles sont entre 0, 5 Hz et 10 Hz ; • l’onde T se caractérise sur une bande spectrale analogue à celle de l’onde P entre 0, 5 Hz et 10 Hz ; • le complexe QRS possède un contenu fréquentiel bien plus important que les autres ondes de l’ECG. Ses composantes fréquentielles sont entre 10 Hz et 15 Hz • le contenu fréquentiel de la ligne de base et des éventuels artefacts de mouvement se situe entre 0, 5 Hz et 7 Hz. Figure 2 Densité spectrale de puissance des ondes cardiaques, et des bruits d’origine musculaire ou respiratoire, après moyennage sur 150 battements II.3 Techniques d'enregistrement de l'ECG Elles sont variées: -l'ECG de surface standard de repos (fig 3) est le plus habituel, définit par l'enregistrement de plusieurs traces (projection du signal sur diverses lignes du corps, appelées dérivations ECG), au moyen d'électrodes cutanées placées sur les membres et le thorax chez un sujet allongé sur le dos. -l'ECG d'effort représente ce même enregistrement effectué chez un sujet qui pédale sur une bicyclette ergométrique ou marche sur un tapis roulant inclinable -le Holter définit par l'enregistrement du signal électrique en continu durant plusieurs heures (24 heures le plus souvent), sur une bande magnétique ou sur une mémoire solide après numérisation du signal, puis sa lecture rapide différée. -les enregistrements spéciaux à haute amplification des 3 signaux cardiaques répétitifs peuvent également être utilises sommés et moyennés. -l'ECG endocavitaire, technique d'enregistrement interne, s'effectue au contact du cœur grâce à des électrodes placées en bout de sondes (cathéters) que l'on monte au travers de la peau dans les veines (plus rarement dans les artères) jusque dans les cavités du cœur. -l'ECG transœsophagien, intermédiaire entre les techniques d'enregistrement externe et interne, réalisé au moyen d'une sonde avec électrodes avalée et dont l'extrémité est descendue dans l'œsophage à proximité du cœur. Figure 3 ECG de surface standard de repos II.4 Chaine d'acquisition de l'ECG -1 Les électrodes captent les signaux électrocardiographiques du patient -2 Les signaux sont ensuite amplifiés, -3 Puis filtrés -4 Le signal issu de l’amplificateur d’instrumentation doit passer par un filtrage anti- repliement ensuite un échantillonnage pour éviter le repliement du spectre et discrétiser l’information de l’ECG -5 Le signal discrétisé est ensuite numérisé -6 pour un stockage dans une mémoire ou bien une transmission via un bus d’adresses ou sans fil -7 Enfin, le signal est ainsi affiché ou tracé afin d’être analysé par un médecin Figure 4 Schéma synoptique de la chaine d'acquisition II. La capture du signal ECG Afin de prélever (capter) le signal ECG on utilise des capteurs appelés Electrodes. Les électrodes on la tache de convertir le flux ionique en flux électrique par l’intermédiaire d’une solution qui fait passer le courant en présence des ions. Cette solution est appelée Electrolyte est conçue en AgCl. Un gel doit être appliqué pour adapter l’impédance de l’électrode à l’impédance de la peau. 4 Figure 5 Electrode jetable III. Conditionnement du signal ECG Après capture du signal physiologique, un conditionnement est primordial car les signaux issus des électrodes sont : - Faibles - Fortement bruités - A impédance finie IV.1 L’amplification du signal ECG Cet étage contient un amplificateur d’instrumentation de type AD622 L’amplificateur d’instrumentation est plus avantageux que l’amplificateur différentiel. Il est conçu pour les tensions de très faibles niveaux et bruitées car il a : -Une grande impédance d’entrée et une faible impédance de sortie. -Une tension en mode commun très faible donc un taux de réjection en mode commun très grand. -Un gain variable et contrôlable. Figure 6 L’amplificateur d’instrumentation Le critère de choix du AD622 est du fait qu’il possède un bon CMRR (118), un gain réglable (jusqu’à 1000) et une bonne qualité-prix. Figure 7 Schéma électrique de l’amplificateur à base de l’AD 622 IV.1 Le filtrage analogique du signal ECG Le filtrage consiste à éliminer (ou atténuer) les fréquences indésirables. Dans notre application nous avons filtré (analogiquement) tous les signaux qui dépassent 40 Hz ; on parle de filtre passe-bas à fréquence de coupure de 40 Hz. On a aussi utilisé un filtre passe- haut à fréquence de coupure de 0.05 Hz. 5 Le but est de filtrer les bruits électromagnétiques (bruit HF), le bruit du secteur d’alimentation (50 Hz), dérives de la ligne de base, et quelques bioartéfacts (signal EMG, quelques bruits issus des mouvements du patient) Figure 8 Circuit de filtrage Le premier étage (figure 8) est un filtre passe-haut avec RA1=RB1=9kΩ CA1=CB1=330µF Le second est un suiveur pour adaptation d’impédance Le troisième est un filtre passe-bas du second ordre pour accentuer la pente du filtre. Avec RA2=RB2=120 Ω CA2=CB2=33µF Le quatrième est un amplificateur inverseur pour apporter une amplification et déphaser le signal de π car à la sortie de l’amplificateur d’instrumentation le signal est déphasé de π. IV. Conclusion et perspectives Le signal obtenu à la sortie de notre montage est bien conditionné, et en perspective on devrait isoler le montage par un amplificateur d’isolement pour protéger le patient. Pour tester le l’efficacité du circuit, on injecte le signal de sortie vers une carte d’acquisition branchée sur un PC. Références [1] S. Boukhenous, Anatomie du cœur et techniques de prélèvement du signal ECG, LINS, (2012) [2] C. Casillas, Heart Rate Monitor and Electrocardiograph Fundamentals, Freescale Semiconductor, AN4059, (2010) [3] O.Français, Amplificateur d’instrumentation, ESIEE, (2000) uploads/Litterature/ rapport-de-biocapteur.pdf